Một máy đo gió ghi nhật ký dữ liệu tự chứa: 11 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Tôi thích thu thập và phân tích dữ liệu. Tôi cũng thích xây dựng các tiện ích điện tử. Một năm trước, khi tôi phát hiện ra các sản phẩm Arduino, tôi ngay lập tức nghĩ, "Tôi muốn thu thập dữ liệu môi trường." Đó là một ngày gió ở Portland, HOẶC, vì vậy tôi quyết định chụp dữ liệu gió. Tôi đã xem một số hướng dẫn dành cho máy đo gió và thấy chúng khá hữu ích, nhưng cần thực hiện một số thay đổi về mặt kỹ thuật. Đầu tiên, tôi muốn thiết bị chạy khép kín, ngoài trời, trong một tuần. Thứ hai, tôi muốn nó có thể ghi lại những cơn gió rất nhỏ, một số thiết kế ở đây yêu cầu gió khá mạnh để di chuyển. Cuối cùng, tôi muốn ghi lại dữ liệu. Tôi quyết định chọn một thiết kế rôto thực sự nhẹ với quán tính và lực cản càng ít càng tốt. Để thực hiện điều này, tôi đã sử dụng tất cả các bộ phận bằng nhựa (bao gồm cả thanh vinyl có ren), liên kết ổ bi và cảm biến quang học. Các thiết kế khác sử dụng cảm biến từ tính hoặc động cơ DC thực tế, nhưng cả hai loại đều làm chậm rôto, quang học sử dụng nhiều điện hơn một chút nhưng không cung cấp lực cản cơ học. Bộ ghi dữ liệu chỉ đơn giản là Atmega328P với chip flash 8 mbit. Tôi đã nghĩ đến việc chuyển sang chế độ SD, nhưng tôi muốn giữ cho chi phí, điện năng tiêu thụ và độ phức tạp ở mức thấp. Tôi đã viết một chương trình đơn giản ghi nhật ký số vòng quay hai byte mỗi giây. Với 8 megabit, tôi tính rằng tôi có thể thu thập dữ liệu khoảng một tuần. Trong thiết kế ban đầu của tôi, tôi nghĩ rằng tôi sẽ cần 4 tế bào C, nhưng sau một tuần, chúng vẫn được sạc đầy vì vậy tôi hẳn đã tắt mức tiêu thụ điện năng. Tôi không sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính, tôi đã lái tất cả các đường ray điện áp xuống 6V (mặc dù một số bộ phận được xếp hạng 3,3V. Yay overdesign!). Để tải dữ liệu xuống, tôi đã có một hệ thống phức tạp đọc flash và chuyển nó vào màn hình nối tiếp arduino, và tôi đã cắt và dán vào Excel. Tôi đã không dành thời gian để cố gắng tìm ra cách viết một ứng dụng USB dòng lệnh để kết xuất đèn flash theo tiêu chuẩn, nhưng một lúc nào đó tôi sẽ cần tìm ra điều này. Kết quả là khá bất ngờ, tôi đã có thể quan sát một số xu hướng rất thú vị, mà tôi đang lưu cho một báo cáo khác. Chúc may mắn!

Bước 1: Xây dựng Rotor

Tôi đã thử một số ý tưởng khác nhau cho cốc rôto: trứng phục sinh, quả bóng bàn, cốc nhựa và quả bóng trang trí cây thông Noel rỗng. Tôi đã chế tạo một số cánh quạt và thử nghiệm tất cả chúng bằng máy sấy tóc, loại máy này cung cấp một loạt tốc độ gió. Trong số bốn nguyên mẫu, vỏ trang trí hoạt động tốt nhất. Họ cũng có các tab nhỏ này giúp việc dán dễ dàng hơn và được làm bằng nhựa cứng hoạt động tốt với xi măng polycarbonate. Tôi đã thử một vài chiều dài trục khác nhau, nhỏ, vừa và lớn (khoảng 1 "đến khoảng 6") và nhận thấy rằng các kích thước lớn hơn bị cuốn quá nhiều và không phản ứng tốt với tốc độ gió thấp, vì vậy tôi đã sử dụng các trục kích thước nhỏ.. Vì mọi thứ đều là nhựa trong, tôi đã tạo ra một bản in nhỏ tiện dụng để giúp giảm bớt ba lưỡi dao. Vật liệu: Đồ trang trí đến từ Công ty Thương mại Phương Đông, mặt hàng "48/6300 DYO CLEAR ORNAMENT", $ 6 cộng với $ 3 tiền vận chuyển. Các trục nhựa và đĩa kết cấu đến từ một cửa hàng TAP Plastics địa phương, giá thêm khoảng 4 đô la cho các bộ phận.

Bước 2: Xây dựng phần đế trên

Để giảm quán tính quay, tôi sử dụng một thanh nylon có ren từ McMaster Karr. Tôi muốn sử dụng vòng bi, nhưng vòng bi của máy được đóng gói trong mỡ làm chậm rôto, vì vậy tôi đã mua một số vòng bi ván trượt giá rẻ mà không có. Chúng chỉ tình cờ lắp bên trong bộ chuyển đổi ống có đường kính trong 3/4 "của CPVC.. Mãi cho đến khi tôi lắp ráp cấu trúc, tôi mới nhận ra rằng vòng bi trượt xử lý tải phẳng và tôi đang áp dụng tải trọng thẳng đứng, vì vậy tôi nên sử dụng vòng bi đẩy, nhưng chúng hoạt động tốt và có thể giúp quản lý ma sát từ mô-men xoắn tuế sai. Tôi định gắn một cảm biến quang học vào dưới cùng của trục, vì vậy tôi đã gắn khớp nối CPVC vào một đế lớn hơn. Home Depot là một nơi thú vị để kết hợp và khớp với phụ kiện CPVC / PVC. Cuối cùng tôi đã có thể nhét khớp nối CPVC ren 3/4 "vào bộ giảm tốc PVC 3/4" đến 1-1 / 2 ". Phải mất rất nhiều thời gian để làm cho mọi thứ phù hợp, nhưng nó vẫn đủ chỗ cho các thiết bị điện tử. Vật liệu: 98743A235 - Thanh nylon ren đen (5/16 "-18 ren) 94900A030 - Black nylon Hex Nuts (5/16" -18 thread) Vòng bi ván trượt giá rẻ Bộ chuyển đổi CPVC 3/4 "ren 3/4" thành 1 -1/2 "Bộ giảm tốc PVC thành ống ren 3/4" Lưu ý: Kích thước khớp nối PVC và CPVC không giống nhau, có thể là để tránh việc vô tình sử dụng sai; vì vậy việc hoán đổi trong một bộ chuyển đổi thông thường PVC 3/4 "đơn giản sẽ không hoạt động. Tuy nhiên, THREADS của bộ điều hợp có ren đều giống nhau, điều này hoàn toàn kỳ lạ. Khớp nối CPVC luồn vào ống lót bộ điều hợp PVC. Bộ điều hợp… ống lót… khớp nối… Tôi có lẽ đang trộn tất cả các thuật ngữ này, nhưng 15 phút trong lối đi của hệ thống ống nước Home Depot sẽ giúp bạn hiểu rõ.

Bước 3: Bộ ngắt quang học

Khi rôto quay, chuyển động quay của nó được đếm bằng một bộ ngắt quang học. Tôi đã nghĩ đến việc sử dụng một chiếc đĩa, nhưng điều đó có nghĩa là tôi phải gắn nguồn chiếu sáng và máy dò theo chiều dọc, điều này sẽ rất khó khăn để lắp ráp. Thay vào đó, tôi chọn giá treo ngang và tìm thấy một số cốc nhỏ ở dưới cùng của ghế để bảo vệ sàn gỗ cứng. Tôi sơn và dán sáu đoạn, điều này sẽ mang lại cho tôi mười hai (gần như) các cạnh đồng nhất, hoặc 12 tích tắc trên mỗi vòng quay của rôto. Tôi đã nghĩ đến việc làm nhiều hơn nhưng không quen lắm với tốc độ của máy dò, hoặc trường quan sát quang học của nó. Đó là, nếu tôi đi quá hẹp, đèn LED có thể len lỏi xung quanh các cạnh và kích hoạt cảm biến. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu khác mà tôi không theo đuổi, nhưng sẽ rất tốt nếu bạn khám phá. Tôi dán chiếc cốc sơn vào một đai ốc và gắn chặt nó vào đầu trục. Vật liệu: Tấm bảo vệ chân ghế từ sơn đen Home Depot

Bước 4: Gắn Rotor

Tại thời điểm này, nó đã bắt đầu trông khá tuyệt. Các hạt nylon thực sự rất trơn, vì vậy tôi đã phải sử dụng nhiều hạt khóa (trong trường hợp bạn không để ý từ các bức hình trước). Tôi cũng phải làm một cờ lê dẹt đặc biệt để lắp vào nắp bên dưới cánh quạt để có thể khóa cả hai đai ốc.

Bước 5: Xây dựng cơ sở dưới

Phần đế dưới chứa pin và cung cấp cấu trúc hỗ trợ. Tôi đã tìm thấy một hộp chống thấm nước khá thú vị trên mạng từ một công ty có tên là Polycase. Đó là một chiếc hộp thực sự bóng bẩy, niêm phong chặt chẽ và các ốc vít ở chân đế rộng hơn để chúng không dễ dàng rơi ra khỏi đỉnh. Tôi đã sử dụng một người bạn đời PVC cho ống lót PVC phía trên. Phần đế dưới này chỉ là khớp nối PVC 1-1 / 2 "có ren. Áp suất của đế rôto phía trên phù hợp với đế dưới thông qua khớp nối này. Như bạn sẽ thấy sau, tôi không dán các miếng này lại với nhau vì tôi muốn có thể mở nó ra và thực hiện các điều chỉnh nếu cần, ngoài ra việc lắp ráp dễ dàng hơn khi gắn các bảng mạch. Vật liệu: Hộp chống thấm từ Polycase, mục # WP-23F, $ 12,50 Khớp nối PVC 1-1 / 2 "có ren

Bước 6: Xây dựng cảm biến quang học

Cơ chế cảm biến là đèn LED 940nm và bộ thu kích hoạt Schmitt. Tôi yêu thích mạch kích hoạt Schmitt, nó xử lý tất cả các nhu cầu gỡ lỗi của tôi và gửi tín hiệu tương thích CMOS / TTL. Nhược điểm duy nhất? Hoạt động 5V. Vâng, tôi đã lái quá mức toàn bộ thiết kế xuống 6V, nhưng tôi có thể đã chuyển sang 3,3V nếu không có phần này. Ý tưởng là mạch này gắn bên dưới cốc rôto, làm gián đoạn chùm tia khi nó quay, tạo ra các chuyển đổi hợp lý cho mỗi cạnh. Tôi không có một hình ảnh tốt về cách nó được gắn kết. Về cơ bản, tôi đã dán hai phần bù nhựa vào khớp nối PVC đế dưới và vặn nó vào chúng từ phía trên. Tôi đã phải mài bớt các cạnh của tấm bảng để làm cho nó vừa khít. Tôi thậm chí không có một sơ đồ cho điều này, nó thực sự dễ dàng: chỉ cần chạy một điện trở 1k từ Vin và đấu dây nó lên để đèn LED luôn bật và đầu ra của máy dò nằm trên chân cắm của nó. Vật liệu: 1 điện trở 1k LED 940nm 1 cảm biến OPTEK OPL550 1 phích cắm ba chân (cái) 1 bảng mạch 1,5 "x1,5" Độ dài dây khác nhau Ống co nhiệt nếu bạn thích dây đi kèm

Bước 7: Xây dựng Data Logger

Bảng tạo mẫu Arduino rất lớn để phù hợp với khung máy. Tôi đã sử dụng EagleCAD để tạo ra một bảng mạch nhỏ hơn, và bị mất kéo khỏi một lớp duy nhất … có bốn dây xấu xí mà tôi cần để nối một vài khoảng trống.

(Tôi nghĩ rằng tôi đã đo mức này ở công suất hoạt động ~ 50mW và dựa trên Watt-Giờ của pin, tôi nghĩ rằng tôi sẽ giảm xuống dưới 5V trong một tuần, nhưng phép đo công suất hoặc phép toán của tôi đều sai vì 4 tế bào C vẫn giữ sẽ diễn ra trong một thời gian dài.) Bố cục khá đơn giản: chỉ là một bộ cộng hưởng, ATmega328, một chip flash, một jumper gỡ lỗi, một đèn LED gỡ lỗi, nắp bộ nguồn, và đó là về nó. Có một thứ gọi là DorkBoard mà tôi cũng có thể sử dụng, về cơ bản nó là mọi thứ cần thiết cho một bảng nhà phát triển ATMega328 với kích thước của ổ cắm DIP. Tôi đã cân nhắc mua một cái nhưng cách tiếp cận rời rạc của tôi rẻ hơn khoảng 50%. Đây là liên kết dorkboard:

Đây là ý tưởng cơ bản (mã nguồn sẽ được bao gồm ở phần sau) cách hoạt động của bo mạch: Jumper được đặt thành chế độ "gỡ lỗi": gắn một ngắt giá trị thay đổi vào đầu ra cảm biến quang học và nhấp nháy đèn LED kiểm tra đồng thời với máy dò. Điều này rất hữu ích cho việc gỡ lỗi. Jumper được đặt thành chế độ "ghi": gắn cùng một ngắt vào một bộ đếm, và trong vòng lặp chính, độ trễ 1000 mili giây. Vào cuối 1000 mili giây, ghi số lượng cạnh vào trang flash 256 byte và khi trang đã đầy, hãy ghi số đó ra và đặt lại số lượng. Đơn giản, phải không? Khá nhiều. Tôi thực sự thích các thiết bị flash Winbond, tôi đã từng thiết kế flash vào những năm 90, vì vậy rất vui khi được lập trình lại chúng. Giao diện SPI là tuyệt vời. Vì vậy, đơn giản để sử dụng. Tôi sẽ để các sơ đồ và mã nguồn tự nói. Tôi đã đề cập đến EagleCAD là tuyệt vời? Nó thực sự là như vậy. Có một số hướng dẫn tuyệt vời trên YouTube.

Bước 8: Gắn thiết bị điện tử

Một lần nữa, tôi không có nhiều hình ảnh đẹp ở đây, nhưng nếu bạn tưởng tượng hai tấm bìa cứng bằng nhựa được dán vào bên trong PVC, cả hai tấm bảng đều được vặn vào đó. Đây là ảnh chụp bảng ghi nhật ký được kết nối với phía dưới. Bảng mạch dò nằm bên trong nhà ở.

Bước 9: Hiệu chuẩn

Tôi đã thực hiện một giàn thử nghiệm để hiệu chỉnh con thú để tôi có thể chuyển đổi số lượng rôto thô thành MPH. Vâng, đó là 2x4. Tôi đã gắn thiết bị đo gió vào một đầu và đầu kia gỡ lỗi Arduio. Màn hình LCD hiển thị số đếm rôto. Quá trình diễn ra như sau: 1) Tìm một con đường thẳng dài không có xe cộ qua lại. 2) Giữ thiết bị 2x4 để nó thò ra ngoài cửa sổ càng xa càng tốt 3) Bật ghi âm giọng nói trên iPhone hoặc Android của bạn 4) Bật đồng hồ tốc độ GPS kỹ thuật số trên thiết bị cầm tay mà bạn chọn 5) Lái xe ổn định ở một số tốc độ và thông báo vào máy ghi của bạn tốc độ và rôto trung bình đếm 6) Không bị hỏng 7)? 8) Sau đó, khi không lái xe, hãy phát lại tin nhắn điện thoại của bạn và nhập dữ liệu vào excel và hy vọng tuyến tính hoặc hàm mũ hoặc đa thức phù hợp với giá trị bình phương R lớn hơn 99% Số chuyển đổi này sẽ được sử dụng sau này. Thiết bị chỉ chụp dữ liệu thô, tôi xử lý sau thành MPH (hoặc KPH) trong Excel. (Có phải tôi đã đề cập rằng tôi đã sơn một lớp sơn màu ô liu không?

Bước 10: Thu thập một số dữ liệu gió

Nó khá là nhiều. Tôi nghĩ rằng một vài hình ảnh bị thiếu, ví dụ: không được hiển thị là bốn ô C được nhét vào đế dưới. Tôi không thể lắp vừa một giá đỡ có lò xo nên cuối cùng tôi đã hàn các dây dẫn vào chính pin. Tôi đang viết bài hướng dẫn này một năm sau khi tôi chế tạo nó và trong bản sửa đổi số 2, tôi đã sử dụng pin AA vì tôi đã đánh giá quá cao mức tiêu thụ điện năng. Sử dụng AA cho phép tôi thêm một công tắc bật-tắt và thực sự giải phóng một số không gian bên trong, nếu không thì nó khá chật. Trong tất cả, tôi khá hài lòng với thiết kế. Biểu đồ bên dưới cho thấy giá trị của dữ liệu trung bình của một tuần. Pin bắt đầu chết vào ngày thứ bảy. Tôi có thể đã cải thiện tuổi thọ pin bằng cách chạy đèn LED ở chu kỳ nhiệm vụ thấp hơn ở khoảng 1kHz và tôi sẽ không bị mất bất kỳ cạnh nào do vận tốc góc của rôto tương đối thấp.

Chúc vui vẻ! Hãy cho tôi biết nếu bạn thấy bất kỳ chỗ nào cần cải thiện!

Bước 11: Mã nguồn

Đính kèm là một tệp nguồn Arduino duy nhất. Tôi GPL vì, này, GPL.

CHỈNH SỬA: Tôi muốn chỉ ra rằng việc triển khai sử dụng độ trễ 1s () là một ý tưởng khủng khiếp và trong h. Khoảng thời gian cần thiết để ghi vào đèn flash và đọc cảm biến có vẻ nhỏ, nhưng trong suốt 7 -10s nó tăng thêm một số độ trôi đáng kể. Thay vào đó, hãy sử dụng ngắt bộ định thời 1Hz (Bộ hẹn giờ # 1 trên 328P có thể được hiệu chỉnh thành 1Hz một cách hoàn hảo). Để an toàn, bạn nên viết mã trong hàng rào trong trường hợp quá trình ghi trang & đọc cảm biến vì lý do nào đó mất nhiều hơn 1 giây (xử lý các mẫu bị rơi), nhưng ngắt bộ đếm thời gian là CÁCH để thực hiện những việc cần đến thời gian- chính xác. Chúc mừng!